撰稿| 由课题组供稿
导读
近日，美国加州大学伯克利分校张翔教授实验组与Steven Louie教授课题组合作的关于声子晶体中的Klein隧穿效应的直接实验观测的研究成果以Direct observation of Klein tunneling in phononic crystals为题，在线发表在《科学》（Science）期刊上。上海复旦大学的江雪研究员和美国佐治亚理工学院的石承志教授为该文的共同第一作者，Steven Louie课题组的李争路博士贡献了该实验研究的物理理论基础。
隧穿效应是量子力学中最重要也是最有趣的现象之一。有了电子的隧穿效应，才有了量子计算机中的超导量子比特的诞生和孕育生命的光合作用的存在。有别于非相对论效应的传统量子隧穿现象，具备高能相对论效应的狄拉克粒子在隧穿效应中会呈现不受势垒宽度和能量高度影响的全透射现象。该现象由Oskar Klein在其发表于1929年的针对高能电子的理论研究中提出，因此被称为Klein隧穿效应。Klein隧穿效应的重大意义在于其对高能与微观物理的结合，是相对论与量子力学的一个重要的结合点。尽管Klein隧穿效应的理论发现已接近一个世纪之久，针对该效应的实验观测在科学届仍是一大难题。该实验研究的最大难点在于科学家们需要将微观粒子加速到具备相对论效应的高能状态的同时构建与之相匹配的平行势垒。
随着人们对单层石墨烯物理研究的不断深入，我们知道在石墨烯能带的狄拉克锥附近存在着满足相对论效应的无质量准粒子，并且科学家们可以通过调节电场偏置强度来构造与之对应的势垒以研究Klein隧穿效应。然而，由于直接的实验观测需要同时满足电子传输路径上异质结的高精密度，产生高度平行校准的电子束，以及能量势垒两侧界面的高度平行等苛刻条件，在单层石墨烯中针对Klein隧穿效应的实验研究只局限于电阻率、电导率振荡、和垂直于磁场方向的半周期相位偏置的间接观测上。而直接证明Klein隧穿效应存在的不取决于势垒宽度与能量高度的全透射现象依旧未能在实验中被观测到。
为了直接观测与势垒宽度和能量高度无关的全透射现象以从实验上直接证明Klein隧穿效应的存在，我们构建了如图1A所示的在能带中存在狄拉克锥的三角格子声子晶体所形成的n-p-n异质结。通过对该声子晶体的能带计算可知其狄拉克点的势能可通过改变晶体中散射柱子的直径进行调节（图1），从而达到改变n-p-n异质结中势垒高度的目的。与此同时，势垒的宽度则可通过调节n-p-n异质结中大小散射柱子的数目进行调整，并保证了能量势垒两侧界面的平行。在实验中，如图2所示，一束高度平行校准的平面声波的透射率接近100%，并且不随势垒的宽度（图2B与2D）和能量高度（图2C与2E）的改变而发生变化。我们还发现这一全透射现象存在于满足线性色散的较宽的频带上，而在距狄拉克点较远的具有非线性色散的能带上则无法实现（图3）。这是由于在距狄拉克点较近的线性能带可近似为狄拉克锥，在狄拉克锥上的无质量准粒子存在着两个相互正交的赝自旋态，分别对应向前和向后传播的k矢量。在伪粒子遇到势垒时，由于这两个正交的赝自旋态无法相互映射，该伪粒子只能保留原先的赝自旋态并继续向前传播，因而实现与势垒无关的全透射。而对于其他非线性色散的能带，这一近似假设则不成立，因此出现了反射现象。
该实验研究与成果为Klein隧穿效应的存在提供了直接的实验证据，对于Klein隧穿效应这一量子力学与相对论的重要结合点具有里程碑意义。与此同时，该声子晶体也为未来高能与微观物理学的实验研究提供了一个重要的平台。正是：
欲证克兰隧穿存，百年寻觅无可耐。
声学晶体求突破，笑看粒子透墙来。
图1 用于实验观测Klein隧穿效应的狄拉克声子晶体。
图2 测量得到的不随势垒宽度和能量高度变化而改变的声学全透射。
图3 在较宽的频带上观测到的Klein隧穿效应。
文章链接
https://science.sciencemag.org/content/370/6523/1447
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